張 宇

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心 上海 200070

塔式起重機(jī)（以下簡稱“塔吊”）具有較大的起升高度和工作幅度，并且結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便。在高層、超高層的工業(yè)和民用建筑施工中，塔吊得到了非常廣泛的應(yīng)用[1-8]。在固定式塔吊專項(xiàng)方案中，塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、實(shí)施是塔吊能夠得以安全、高效工作的重要前提。

固定式塔吊基礎(chǔ)有板式（矩形、方形）、十字形、樁基及組合式等形式。塔吊使用說明書中一般會(huì)給出塔吊基礎(chǔ)的建議方案，但在工程實(shí)施中，由于塔吊位置及施工進(jìn)度的影響，塔吊基礎(chǔ)無法按常規(guī)做法實(shí)施。若能將塔吊基礎(chǔ)置于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，將會(huì)很好地解決這一難題。本文將塔吊基礎(chǔ)分為預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)和后置塔吊基礎(chǔ)，結(jié)合具體案例，總結(jié)和分析利用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔吊基礎(chǔ)的方法，為更多的工程應(yīng)用提供參考。

1 塔吊荷載

塔吊在獨(dú)立狀態(tài)時(shí)，所承受的由風(fēng)載荷等水平載荷及傾覆力矩、水平扭矩對(duì)基礎(chǔ)的作用效應(yīng)最大。當(dāng)塔吊處于附著狀態(tài)時(shí)，即安裝附墻裝置后，雖然增加了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)質(zhì)量，但是此時(shí)塔吊所承受的各種水平載荷及傾覆力矩、扭矩等主要由附墻裝置承擔(dān)，基礎(chǔ)僅主要承擔(dān)塔吊自身的質(zhì)量，所以對(duì)塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，僅需考慮獨(dú)立狀態(tài)的情況即可。

塔吊作用于基礎(chǔ)的荷載應(yīng)包括塔吊作用于基礎(chǔ)頂部的豎向荷載Fk、水平荷載Fvk、傾覆力矩Mk、扭矩荷載Tk，以及基礎(chǔ)及其上的土的自重荷載Gk。荷載數(shù)據(jù)一般需要由塔吊制造商提供（圖1）。

當(dāng)對(duì)塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，可以將塔吊作用于基礎(chǔ)上的荷載分配至每個(gè)塔身主肢位置，主要考慮以下荷載對(duì)基礎(chǔ)的作用（圖2）。

圖2 塔身立柱荷載

塔吊繞水平x軸作用時(shí)，塔身主肢作用到基礎(chǔ)上的荷載具體可表示為：

2 塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)介紹

2.1 預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究

預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)是指在建筑結(jié)構(gòu)的大底板、承臺(tái)等未完成混凝土澆筑施工前，將塔吊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所需的構(gòu)件（塔吊底腳、基礎(chǔ)節(jié)等）預(yù)埋到建筑結(jié)構(gòu)中，塔吊基礎(chǔ)與底板澆筑成為一體，建筑結(jié)構(gòu)的大底板或承臺(tái)在施工期間兼作塔吊基礎(chǔ)。塔吊基礎(chǔ)區(qū)域現(xiàn)澆混凝土厚度應(yīng)根據(jù)大底板或承臺(tái)結(jié)構(gòu)的受力情況，以及塔吊基礎(chǔ)節(jié)埋深要求等做相應(yīng)調(diào)整，條件允許時(shí)宜與原設(shè)計(jì)底板同厚度，無法滿足時(shí)可增大區(qū)域厚度。

工程案例1中，塔吊基礎(chǔ)與大底板澆筑成為一體（圖3），經(jīng)復(fù)核計(jì)算，利用大底板混凝土板及樁基即可承受塔吊的荷載。但是在實(shí)際施工中，往往會(huì)因考慮到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量及塔吊安裝位置的影響，而選用中型或重型塔吊，這對(duì)塔吊基礎(chǔ)的承載力提出了較高的要求，建筑原結(jié)構(gòu)可能無法承受。

圖3 工程案例1

工程案例2為局部加厚原設(shè)計(jì)大底板形成塔吊基礎(chǔ)，但由于此塔吊基礎(chǔ)與周圍大底板澆筑成為一體，因此從結(jié)構(gòu)受力角度而言，塔吊荷載并非僅由加厚的塔吊承臺(tái)區(qū)域所承擔(dān)，需考慮承臺(tái)與大范圍底板形成的共同受力體系。如圖4所示，由于本案例中大底板下方樁基排布十分不規(guī)則，因此建立有限元分析模型進(jìn)行大底板的受力分析。

圖4 工程案例2

本文采用Midas Gen軟件進(jìn)行建模分析，塔吊承臺(tái)和大底板均選用厚板單元，板厚按承臺(tái)和底板分區(qū)賦值。工程案例1中板厚為大底板厚度，工程案例2中塔吊承臺(tái)處板厚較大，其余為大底板厚度。

為避免集中點(diǎn)荷載使板單元產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，本文中的塔吊荷載根據(jù)荷載分布形式，換算為塔吊主肢處的局部板單元壓力荷載進(jìn)行施加。

樁基以對(duì)應(yīng)位置處的節(jié)點(diǎn)豎向彈簧約束進(jìn)行模擬（圖5、圖6）。同樣的，為避免集中點(diǎn)約束造成應(yīng)力集中的問題，本工程案例中，每根樁對(duì)應(yīng)有9個(gè)板單元節(jié)點(diǎn)，樁基的豎向彈簧剛度統(tǒng)一按200 kN/mm考慮，即于每根樁基對(duì)應(yīng)位置處的節(jié)點(diǎn)施加22 kN/mm的豎向彈簧剛度約束。不考慮樁間土體對(duì)承臺(tái)和大底板的有利作用。

圖5 工程案例1

圖6 工程案例2

利用軟件計(jì)算出各板單元的剪力值、彎矩值及樁頂反力值，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑牡装?、承臺(tái)、樁基信息復(fù)核承載力，可按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.5節(jié)中的相關(guān)公式對(duì)塔吊基礎(chǔ)的受沖切承載進(jìn)行驗(yàn)算。

預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)要按照J(rèn)GJ/T 187—2019《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求設(shè)計(jì)實(shí)施。固定支腿或預(yù)埋節(jié)的安裝要符合塔吊使用說明書的要求。圖7為混凝土澆筑前后的塔吊預(yù)埋節(jié)。

圖7 塔吊預(yù)埋節(jié)

2.2 后置塔吊基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究

后置塔吊基礎(chǔ)是指建筑結(jié)構(gòu)已完成，利用結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，將塔吊基礎(chǔ)安裝在已有建筑結(jié)構(gòu)之上，通常采用后植埋件形式實(shí)現(xiàn)。

在工程案例3中，鋼結(jié)構(gòu)施工前大底板及承臺(tái)結(jié)構(gòu)均已完成，根據(jù)施工需要，M900D塔吊要布置在工程案例3所示的位置（圖8），因此需要在既有承臺(tái)結(jié)構(gòu)之上安裝塔吊。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，預(yù)埋件埋設(shè)在承臺(tái)之上，用于安裝作為塔吊基礎(chǔ)的2組轉(zhuǎn)換鋼梁，再進(jìn)行塔吊的安裝工作。

圖8 工程案例3

工程案例4也遇到了類似情況（圖9），在塔吊安裝前，頂板結(jié)構(gòu)均已完成，為了充分利用已有結(jié)構(gòu)，布置塔吊時(shí)選擇利用承載力較高的混凝土梁。預(yù)埋件埋設(shè)在混凝土梁上，依次安裝2組轉(zhuǎn)換鋼梁作為塔吊基礎(chǔ)。

圖9 工程案例4

計(jì)算轉(zhuǎn)換梁及埋件支反力時(shí)，塔吊傳遞的荷載作為集中力加載到塔吊立柱位置處（圖10）。塔吊荷載直接作用于上層轉(zhuǎn)換梁，進(jìn)而傳遞到下層轉(zhuǎn)換梁及埋件位置，計(jì)算出各層梁的剪力、彎矩值。需考慮不同工況下的塔吊荷載，并計(jì)算最不利工況下轉(zhuǎn)換梁的受力及埋件支反力（圖11、圖12）。

圖10 轉(zhuǎn)換梁布置示意

圖11 水平軸方向塔吊荷載

圖12 對(duì)角線方向塔吊荷載

式中：Mx、My—對(duì)x軸和y軸的計(jì)算彎矩，N·mm；

同時(shí)，埋件與下層轉(zhuǎn)換梁，以及上、下層轉(zhuǎn)換梁之間的連接處也要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確保連接可靠。每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)位置需布置構(gòu)造筋板。計(jì)算出的埋件支反力是復(fù)核塔吊基礎(chǔ)位置處的建筑結(jié)構(gòu)的依據(jù)。在工程案例3中，需要復(fù)核對(duì)應(yīng)下部樁基結(jié)構(gòu)的承載力，在工程案例4中，需要對(duì)埋件位置的混凝土梁承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

3 結(jié)語

預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)和后置塔吊基礎(chǔ)，都能夠充分利用既有建筑結(jié)構(gòu)承載塔吊荷載，使得施工中塔吊的布置在時(shí)間和空間上更加靈活，兼顧了技術(shù)方案的安全性、技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性。工程施工中塔吊安全至關(guān)重要，具體實(shí)施中，無論是預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)，還是后置塔吊基礎(chǔ)，都要嚴(yán)格按照塔吊基礎(chǔ)的各項(xiàng)技術(shù)規(guī)程實(shí)施，同時(shí)要遵照塔吊制造商提供的使用說明書的安裝要求進(jìn)行操作。